핵연료를 원자로 안에서 연소시키고, 사용필 연료로부터 다시 핵연료가 될 수 있는 물질을 회수하는 사이클. 다시 말해 우라늄·토륨 등 핵연료를 원광석(原鑛石)으로부터 정련·추출하여 원자로에 넣어 태운 사용필 연료를 재처리함으로써 새로운 연료를 얻을 때까지의 일련의 제조공정을 말한다.

천연우라늄에는 핵분열성 물질인 우라늄 235 ²³⁵U가 0.7 %밖에 함유되어 있지 않으며, 나머지는 대부분 우라늄 238 ²³⁸U이 차지한다. 우라늄 238 ²³⁸U은 원자로 안에서 중성자를 흡수하여 핵분열성 물질인 플루토늄 239 ²³⁹Pu로 전환된다. 플루토늄 239 ²³⁹Pu는 원자폭탄의 원료로, 미래의 고속증식로용 연료로서 회수된다.

원자로에서는 우라늄 235 ²³⁵U의 성분 전량이 연소되지 않으므로 사용필 연료를 다시 농축·가공하여 원자로의 연료로 사용할 수 있다. 경수로를 예로 들어 핵연료 사이클의 내용을 설명하면 다음과 같다. 우라늄 광업(탐광·채광·제련)에서 얻은 옐로 케이크라고 하는 우라늄광석 U₃O₈은 육플루오르화우라늄 UF₆으로 전환한 다음, 농축공장에서 우라늄 235 ²³⁵U의 비율을 높인 농축우라늄이 된다.

농축우라늄은 이산화우라늄 UO₂로 전환된 다음 핵연료 공장에서 성형(成型)·가공되어 핵연료가 된다. 핵연료는 원자로에서 일정기간 연소된 다음, 사용필 연료로서 꺼내어 재처리 공장으로 보내어진다. 여기서 플루토늄 239 ²³⁹Pu·감손우라늄·폐기물이 회수되고, 감손우라늄은 다시 농축하여 사용할 수 있다.

플루토늄 239 ²³⁹Pu는 미국 정부가 군사물자로 사들이고 있으며, 폐기물은 엄중히 보관·처리되어 땅·바닷속에 버려진다.